Podstawy teoretyczne

Płomień jest strefą reakcji chemicznej, w której zachodzi proces utleniania paliwa (spalania). Ze względu na sposób mieszania paliwa z utleniaczem rozróżniamy dwa rodzaje płomienia:

Płomień kinetyczny otrzymujemy po wstępnym zmieszaniu przed dyszą palnika paliwa i utleniacza. Wstępna strefa podgrzewania i inicjacji utleniania paliwa znajduje się przed czołem płomienia. Dalej znajduje się główna strefa reakcji, czyli czoło płomienia. Za nią położona jest strefa popłomienna. Za koniec strefy podgrzewania i inicjacji przyjmuje się punkt, w którym proces utlenienia przebiega samoistnie, bez dostarczania ciepła z głównej strefy reakcji. W czole płomienia, który jest główną strefą reakcji, zachodzą najbardziej intensywne reakcje utleniania.

Przy niedomiarze utleniacza, w płomieniu kinetycznym wytwarza się zewnętrzny stożek typu dyfuzyjnego. Jest to wtórny płomień dyfuzyjny.

Płomień dyfuzyjny to taki, który powstaje w warstwie granicznej między strumieniami gazu palnego i gazowego utleniacza lub pomiędzy strumieniem gazu palnego a otaczającym go nieruchomym gazowym utleniaczem. W obszarze widocznym jako świecąca powierzchnia, zachodzi intensywna reakcja chemiczna. W tym miejscu stosunek dyfundującego strumienia paliwa do strumienia utleniacza przyjmuje wartość stechiometryczną, tj stosunek powietrza do paliwa określa równanie reakcji. W tego typu płomieniu, reakcja spalania jest poprzedzona procesem mieszania, zależącym od praw rządzących dyfuzją w strumieniach gazowych. Ze względu na te zjawiska płomienie dyfuzyjne dzielą się na laminarne oraz turbulentne.

a) laminarne – dyfuzja ma charakter molekularny, płomień jest niewiele szerszy od otworu wylotowego dyszy, zewnętrzna powierzchnia jest wyraźnie zarysowana

b) turbulentne – dyfuzja ma charakter turbulentny, płomień jest szerszy niż wylot dyszy paliwowej. Trudno określić kształt płomienia, jego powierzchnia stale drga i nie da się jednoznacznie określić zarówno jego szerokości jak i wysokości.

Palniki gazowe to urządzenia w pewien sposób kontrolujące spalanie paliwa. Mają za zadanie zmieszać paliwo z utleniaczem przed wylotem dyszy, zapewnić ciągłość reakcji. Palniki są różnej konstrukcji, zależnie od potrzeb. Najczęstsza klasyfikacja:

- palniki zewnętrznego mieszania (dyfuzyjne) – podaje się jedynie paliwo, utleniacz pobierany jest z otoczenia

- palniki wstępnie zmieszanych gazów (kinetyczne) – paliwo zmieszane jest z utleniaczem przed zapłonem, najczęściej przed wylotem dyszy palnika

- palniki kinetyczno-dyfuzyjne – następuje niepełne mieszanie wstępne, część paliwa zmieszana jest z utleniaczem przed podaniem, reszta utleniacza podawana jest oddzielnie.

Schemat układu pomiarowego

Wykaz przyrządów pomiarowych

1. Termopara i cyfrowy miernik temperatury

2. Rotametr

3. Chromatograf

Tabele pomiarowe

x c t w mm A °C % 0 1,313 * 10^-5 910 2,60 1 1,101 * 10^-5 900 18,32 2 1,065 * 10^-5 880 20,99 3 1,001 * 10^-5 860 25,74 4 8,747 * 10^-6 820 35,11 5 8,175 * 10^-6 750 39,35 6 5,343 * 10^-6 630 60,36 7 7,153 * 10^-6 470 94,69 8 2,471 * 10^-7 320 98,17 9 2,131 * 10^-7 200 98,42 10 130 11 100 12 70 13 60	c100% qpow q’gaz qgaz r A l/h l/h l/h % 1,348 * 10^-5 120 7 5,40 4,30

Przykłady obliczeń

$$q_{\text{gaz}} = {q'}_{\text{gaz}}\sqrt{\frac{\rho_{\text{pow}}}{\rho_{\text{gaz}}}} = 7 \bullet \sqrt{\frac{1,2}{2,018}} = 5,40\ l/h$$

$$r = \frac{q_{\text{gaz}}}{q_{\text{gaz}} + q_{\text{pow}}} = \frac{5,40}{5,40 + 120} = 4,30\%$$

$$w = \left( 1 - \frac{c}{c_{100\%}} \right) \bullet 100\% = \left( 1 - \frac{1,313 \bullet 10^{- 5}}{1,348 \bullet 10^{- 5}} \right) \bullet 100\% = 2,60\%$$

Wykresy

Wykres 1. Zależność stopnia wypalenia gazu w od odległości od środka palnika x

Wykres 2. Zależność temperatury t od odległości od środka płomienia x

Uwagi i wnioski

Stężeniowa granica zapłonu dla propanu wynosi od 2,1 do 9,5 % gazu w powietrzu. Otrzymana wartość 4,3% mieści się zatem w tych granicach. Analizując pierwszy wykres można łatwo dostrzec, że stopień wypalenia gazu zwiększał się wraz z odległością od środka płomienia. Po 4 mm, kiedy nastąpiło przejście z pierwszego stożka do drugiego, charakterystyka stała się bardziej płaska, a następnie gwałtownie wzrastała aż do odległości 7, gdzie nastąpiło wyjście sondy z płomienia. Wyniki dla 8 i 9 mm są do siebie bardzo podobne, gdyż odpowiadają zawartości propanu w powietrzu w pomieszczeniu. Zależność temperatury od odległości od środka płomienia na drugim wykresie maleje wraz ze wzrastaniem odległości. W granicach pierwszego stożka temperatura maleje powoli, a następnie coraz szybciej. Nie zaobserwowano spłaszczenia charakterystyki po wyjściu z płomienia, jak miało to miejsce w pierwszym wykresie. Temperatura spadała aż do odległości 11 mm, gdzie nastąpiła jej stopniowa stabilizacja.